使用NI LabVIEW操控大型地震仿真器

Author(s):
Michael Schulze - Anco Engineers
Paul Ibanez - Anco Engineers

Industry:
Machines/Mechanics

Products:
LabVIEW, PCI-6221

The Challenge:
創(chuàng)建易用的軟件及硬件方案，控制面向公眾的大型地震仿真器。

The Solution:
使用NI LabVIEW軟件及數(shù)據(jù)采集硬件創(chuàng)建程序，控制仿真器運(yùn)動(dòng)，并生成仿真地震特征，為用戶制造出真實(shí)的地震體驗(yàn)。

在世界各地的科技主題公園及博物館中，常會(huì)采用地震仿真器來對(duì)公眾普及地震災(zāi)難教育。Anco Engineers公司提供用于材料、設(shè)備、及結(jié)構(gòu)的震動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及相關(guān)服務(wù)，是全球范圍內(nèi)具有豐富經(jīng)驗(yàn)的地震振動(dòng)臺(tái)開發(fā)商之一。我們?yōu)楦鞣N教學(xué)性地震振動(dòng)臺(tái)開發(fā)的多媒體軟件具有很高的逼真性及易用性。

在項(xiàng)目中我們遇到了兩大挑戰(zhàn)，我們希望設(shè)計(jì)易用且低成本的軟硬件方案 ，并具有多媒體功能。程序還要有直觀的用戶界面，以及多語言的版本。應(yīng)用要求提供簡單的工具生成指定光譜能量信號(hào)的模擬地震，以滿足各種條件，如震區(qū)建筑條例規(guī)定的光譜響應(yīng)。我們需要完成所有條件下的程序開發(fā)，使博物館操作人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)便可輕松控制這些相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)。

過去存在的局限

驅(qū)動(dòng)多軸的大沖撞振動(dòng)臺(tái)已經(jīng)是很完善的技術(shù)了。近年來，硬件與快速計(jì)算機(jī)處理器、數(shù)據(jù)采集板的集成也變得越來越方便。然而，早期版本的驅(qū)動(dòng)軟件只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下傳輸相關(guān)未處理的地震數(shù)據(jù)至驅(qū)動(dòng)器，不具備復(fù)雜信號(hào)處理能力及多媒體功能。另外，由于舊版本不包括用于生成理論震動(dòng)的統(tǒng)一程序，所以用戶無法仿真指定光譜能量的地震場(chǎng)景。過去的地震場(chǎng)景仿真中也不能設(shè)定建筑高度（共振）、土壤成分、及單個(gè)振動(dòng)波類型等。

多媒體集成及信號(hào)處理

考慮到LabVIEW具有與NI硬件的無縫集成性、并行編程構(gòu)架性能、以及豐富的數(shù)學(xué)及信號(hào)處理函數(shù)，我們決定選用它作為開發(fā)及部署工具。我們編寫了一個(gè)程序，有效地處理多種包含加速度時(shí)間關(guān)系曲線圖的大型地震信號(hào)文件，這些信號(hào)文件包含真實(shí)和仿真的地震數(shù)據(jù)。通過使用16位雙通道NI PCI-6221 M系列模擬電壓輸出板卡及多種數(shù)字線路輸出，程序能夠控制2臺(tái)重型大沖擊位移驅(qū)動(dòng)器，監(jiān)測(cè)所有聯(lián)動(dòng)裝置及安全特性，同時(shí)還能通過雙通道VGA輸出一系列自定義音頻及視頻文件。這些視頻將在模擬地震過程中放映在大屏幕上。為了增強(qiáng)地震的真實(shí)體驗(yàn)，所選用的PCI-6221板卡具有多數(shù)字通道，可同時(shí)控制閃光燈、煙霧器、及聲效等，并設(shè)定其間隔及持續(xù)時(shí)間。

為了降低對(duì)操作人員的培訓(xùn)強(qiáng)度，我們必須開發(fā)出簡單易用的圖形化用戶界面(GUI)。在超過50種真實(shí)或仿真的地震場(chǎng)景庫中，只需選擇指定子菜單，通過簡單拖曳即可在數(shù)分鐘內(nèi)創(chuàng)建出一系列地震場(chǎng)景。這些地震設(shè)定可以成批鏈接，并順序執(zhí)行數(shù)秒甚至數(shù)分鐘。

每次地震都有一定的信號(hào)特征，其能量分布由強(qiáng)度（里氏震級(jí)）、地震波頻率、及振幅確定。振動(dòng)中波形的傳播取決于不同的土壤類型，并與各種結(jié)構(gòu)類型的建筑產(chǎn)生相互作用。民用工程師必須對(duì)這些相互作用建模，生成建筑的反應(yīng)頻譜(RRS)，以此來預(yù)測(cè)建筑在地震中的狀態(tài)。

Anco Engineers公司使用LabVIEW內(nèi)置的頻譜及頻率分析工具，基于特定的RRS曲線計(jì)算瞬時(shí)的任意波形。該自動(dòng)重復(fù)過程能根據(jù)RRS輸入，在數(shù)秒內(nèi)產(chǎn)生符合要求的能量及頻率分布數(shù)據(jù)，并與IEEE 344多軸固定/獨(dú)立測(cè)試相一致。

克服頻率相關(guān)振幅

對(duì)于推動(dòng)大質(zhì)量的動(dòng)態(tài)大型沖擊驅(qū)動(dòng)器，如何在規(guī)定頻率范圍內(nèi)保持恒定振幅是一個(gè)普遍存在的限制因素。因此，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)在高頻下的振幅衰減作一定補(bǔ)償。我們對(duì)此種情況作了預(yù)防，使驅(qū)動(dòng)軟件能在必要時(shí)通過系統(tǒng)專用傳輸函數(shù)動(dòng)態(tài)生成修正量。此外，我們采用LabVIEW的信號(hào)處理及濾波函數(shù)極大簡化了編程，節(jié)省了編程開發(fā)成本，從而可將精力集中于公眾振動(dòng)臺(tái)的開發(fā)。

使用LabVIEW及NI硬件節(jié)省成本

由于使用了LabVIEW，我們?cè)谲浖_發(fā)上的成本比預(yù)期節(jié)省了近50%。LabVIEW的靈活性，如濾波選項(xiàng)、光譜函數(shù)、與NI硬件的無縫連接，以及適用于復(fù)雜數(shù)據(jù)集的數(shù)學(xué)函數(shù)，確保了軟件開發(fā)的成功。此外，理論地震生成程序極大縮短了數(shù)據(jù)生成時(shí)間，過去生成指定RRS的地震需要大約20分鐘，而現(xiàn)在僅需5到10秒。程序員無需太多培訓(xùn)及故障檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)即可通過LabVIEW創(chuàng)建直觀、易用的GUI。

計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)

我們使用的標(biāo)準(zhǔn)雙核PC具有1 GB RAM、雙VGA輸出，操作系統(tǒng)為Windows XP SP2，并安裝LabVIEW 8.2及8.5 運(yùn)行時(shí)引擎。程序套件由Windows版LabVIEW專業(yè)開發(fā)系統(tǒng)編寫。我們還采用了PCI-6221板卡與NI BNC-2110連結(jié)盒連接。

現(xiàn)有系統(tǒng)的安裝

現(xiàn)有的公眾教學(xué)振動(dòng)臺(tái)被安裝于法國、印度及美國等地的博物館及科技主題公園中。有些博物館將振動(dòng)臺(tái)安置于地震型 “災(zāi)難區(qū)”演示，并伴有人造的混凝土廢墟、煙霧及其它視覺效果，以此來強(qiáng)調(diào)地震研究及加強(qiáng)建筑條例的重要性。振動(dòng)臺(tái)的平均大小約為4 m高（約合13ft），可在多個(gè)平臺(tái)上承載6至9人。